矿用喷涂堵漏风自修复材料性能研究及工程应用

喷涂堵漏风是防止煤自燃的有效手段之一。针对传统水泥基喷涂堵漏风材料脆性大、易开裂、堵漏风效果差的弊端,提出以微生物及结晶矿物为自愈合剂,研制出生物胶囊和矿物胶囊以及一种生物–矿物–纤维协同自修复材料。研究了不同养护湿度和养护时间对材料裂缝自修复能力的影响。结果表明:当养护湿度为100%相对湿度、养护时间为35 d时,研制的生物胶囊和矿物胶囊可以将裂缝完全修复,裂缝最大修复宽度为1260μm。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)探究了自修复材料裂缝区域修复产物的晶型及元素组成,发现裂缝处的修复产物为球碳镁石、花瓣状的水菱镁矿以及大量由细菌矿化产生的球形方解石,这些修复产物在一定程度上起到了密闭裂缝的作用;EDS能谱分析证实了修复产物为MgCO_(3)和CaCO_(3)。当养护湿度为100%时,材料具有最高的堵漏风率(97.15%),比同养护条件的对照组试样高出73.62%。最后将自修复材料用于沿空煤柱喷涂堵漏风,结果显示该材料在6个月内未发现明显裂隙,与传统水泥砂浆相比,该材料具有更长的使用寿命和更好的预防效果。

黄原胶和氧化镁改性黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料的制备及特征

针对传统黏土-水泥喷涂堵漏风材料(CCC)强度差、易开裂、堵漏风效率低的问题,提出经黄原胶(XG)和氧化镁(MgO)改性制备黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料(XM-CCC)。通过析水率测试、浆液时变性和流变性试验,确定了0.6的最佳水固质量比和20%(质量分数)最佳黏土掺量。通过力学性能试验和限制膨胀率试验确定了1.5%(质量分数)的XG最佳掺量和5%(质量分数)的MgO最佳掺量,XM-CCC的7 d抗压强度达到25.33 MPa、抗折强度达到9.18 MPa,21 d限制膨胀率稳定在0.028%左右。基于此,结合表征手段对XM-CCC的形成机理和堵漏风机理进行探究。结果表明,XG中羟基、羧基等活性官能团与浆液颗粒表面的Ca^(2+)发生螯合作用,黏土颗粒被束缚在水泥颗粒的水化产物间,促进了XM-CCC力学性能的提升。MgO水化生成的六方板状Mg(OH)_(2)晶体支承在体系的孔隙中,提高了XM-CCC的抵御收缩能力。孔隙结构方面,XG改变了XM-CCC的孔结构,降低了平均孔径;Mg(OH)_(2)晶体充填孔隙,产生的晶体生长压力可以抵御孔隙压力,保持基体不开裂,同时降低了孔隙率;XG与MgO的共同作用使XM-CCC的气体渗透系数仅为1.47×10^(-12),远低于围岩渗透系数。经济性上,XM-CCC取材方便、制作简单,成本较低,喷涂工艺简单灵活。现场应用结果表明,XM-CCC的涂层均匀、完整,抗开裂与封闭性能较好,具有良好的应用前景。

矿用新型水泥-粉煤灰基喷涂堵漏风材料性能研究

采空区自燃是煤炭开采中面临的重大灾害之一,不仅会浪费煤炭资源、造成大量经济损失,还会引发事故导致人员伤亡。为了减少氧气向采空区泄漏,常常沿采空区侧煤壁喷涂堵漏风材料,以封堵因采掘活动产生的煤壁裂隙。以水泥-粉煤灰为基体材料,用羟丙基甲基纤维素(HPMC)和磷酸三丁酯(TBP)共同改性制备新型喷涂堵漏风材料。通过析水率测试、保水率测试、力学性能测试和水泥基材料与煤界面接触角测试,得出了不同掺量的HPMC和TBP对涂层性能的影响。试验结果表明,当水固比为0.5、粉煤灰掺量为20%、HPMC掺量为0.2%、TBP掺量为0.08%时,材料综合性能最佳。浆液析水率低于5%,材料7d抗压强度和抗折强度可分别达到16.70MPa和5.02MPa,相比于纯水泥-粉煤灰材料提高了6.57%和2.87%,改性后浆液与煤的初始接触角降低了21.83°。最终,根据X射线衍射分析、傅里叶红外光谱分析和扫描电子显微镜分析,得出了外加剂对水泥水化机理及微观结构的影响。

矿用高分子塑性封闭材料密闭性能研究

煤炭开采过程中,巷道的通风和密闭性对保障井下安全有序生产和作业人员的生命安全发挥重要作用。普通喷射混凝土存在固结时间长、回弹率高、粉尘质量浓度大等缺点,难以满足矿井安全高效生产的要求。为解决上述问题,研发了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料,应用于煤矿巷道堵漏风处理。以石圪台煤矿102工作面为背景,采用FLAC^(3D)软件进行数值模拟,得到围岩沉降变形和支护结构应力曲线,并开展现场试验,监测得到机尾安全出口气体浓度曲线,对比了KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料和不同强度的混凝土材料在喷射应用中的效果。研究结果表明,KA-GK加强型堵漏风用聚氨酯材料在围岩变形和支护结构受力方面和普通喷射混凝土材料有着相同的效果,且KA GK加强型堵漏风用聚氨酯材料具备固结时间短、延伸率高、韧性好、封闭性好、施工效率高等突出特点,有效弥补了普通喷射混凝土材料的不足。